撫仙湖水體磷的時空分布特征分析

王平 趙琦琳 張妍 向文禮 段友愛

摘要：撫仙湖是中國第二大深水湖，保護(hù)好撫仙湖水質(zhì)對于中國水資源戰(zhàn)略安全至關(guān)重要?？偭资怯绊懾殸I養(yǎng)深水湖泊水質(zhì)類別的關(guān)鍵因素。通過在撫仙湖湖體均勻布設(shè)立體監(jiān)測點位，開展為期1 a的水質(zhì)監(jiān)測分析，探討不同形態(tài)磷的水平和垂向分布及季節(jié)變化特征。結(jié)果表明：① 撫仙湖總磷（TP）、溶解性總磷（DTP）及溶解性磷酸鹽（SP）隨水深幾乎呈線性增加趨勢；溶解性有機磷（DOP）除個別點隨水深波動外，整體較為穩(wěn)定;總體上，底層水體磷濃度高于表層水體磷濃度，表層底泥總磷濃度高達(dá)1 926 mg/kg，可能對未來湖泊的富營養(yǎng)化構(gòu)成風(fēng)險。② 不同形態(tài)磷濃度TP＞DTP＞SP＞DOP，其中DTP占TP的比例為77.78%，為TP的主要貯存方式。③ TP濃度總體是上半年高于下半年，呈現(xiàn)一定的冬春季表層濃度升高、底層濃度降低的趨勢，該趨勢與溫躍層消退、湖水處于混合狀態(tài)有關(guān)。研究成果可為撫仙湖水質(zhì)趨勢研判和精準(zhǔn)治理工作提供支撐。

關(guān) 鍵 詞：

總磷； 溶解性總磷； 貧營養(yǎng)； 分布特征； 深水湖泊； 撫仙湖

中圖法分類號： X524

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.029

0 引 言

撫仙湖是云南省蓄水量最大的湖泊，是中國最大高原深水湖、第二深淡水湖泊，位于玉溪市境內(nèi)，居滇中盆地中心，位于昆明市東南60 km處，地處長江流域和珠江流域分水嶺地帶，屬南盤江流域西江水系，湖面形似葫蘆，北寬而深，南窄而淺，中間細(xì)長如頸［1］。湖面最寬處約11.8 km，最窄為3.2 km［2］，平均寬度6.8 km，最大水深158.9 m，平均水深95.2 m［3］，湖岸線總長100.8 km，水面面積216.6 km2，蓄水量206.2億m3，流域面積674.7 km2。其主要入湖河流有馬料河、東大河、代村河、路居河、隔河、牛摩河、尖山河、山?jīng)_河、梁王河等44條。湖水經(jīng)?？诤恿魅肽媳P江，出流改道后，隔河流向改變，成為撫仙湖另一主要出湖河流。

撫仙湖由于其獨特的低緯高原構(gòu)造，動態(tài)水流少，換水周期長，生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱。近年來，撫仙湖氮、磷含量較20世紀(jì)80年代有了顯著增加［4-5］，磷作為浮游植物生物量和群落結(jié)構(gòu)變化的關(guān)鍵因子，其在水體中的形態(tài)分布和生物可利用性會影響藻類的生長。同時，底泥是湖泊磷元素的重要蓄積庫，當(dāng)外源輸入磷元素的輸入通量較大時，來不及降解的磷元素通過吸附、絡(luò)合或沉淀等途徑直接沉降導(dǎo)致湖泊底泥中的污染物逐步積累起來，形成湖泊磷元素的內(nèi)源負(fù)荷。在湖泊水體與底泥相互作用過程中，底泥中相當(dāng)部分的磷元素會重新釋放到水體中，成為湖泊潛在的“化學(xué)定時炸彈”［6-7］。當(dāng)湖泊系統(tǒng)的物理化學(xué)條件發(fā)生突變時，也可能引起湖泊底泥中累積磷元素釋放，造成湖泊水體的二次污染。

撫仙湖不僅是云貴高原一顆最為璀璨的明珠，也是中國“兩屏三帶”生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中川滇生態(tài)屏障的重要組成部分，是維系珠江源頭及西南生態(tài)安全的重要屏障。先前對撫仙湖的研究主要集中在表層，對深水湖泊營養(yǎng)狀態(tài)及水質(zhì)的研究較為缺乏，因此針對撫仙湖表層水質(zhì)在Ⅰ～Ⅱ類之間波動，主要影響指標(biāo)為總磷的情況，強化磷的形態(tài)組成、空間分布方面的研究對做好撫仙湖保護(hù)治理工作具有一定的指導(dǎo)意義。為此，云南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心聯(lián)合云南省生態(tài)環(huán)境廳駐玉溪市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站及澄江市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，在2021年度對撫仙湖湖體開展了每月一次的立體分層監(jiān)測，研究不同形態(tài)磷的水平、垂向分布及季節(jié)變化特征，以期為撫仙湖水質(zhì)趨勢研判、精準(zhǔn)治污及降低撫仙湖磷負(fù)荷提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點位布設(shè)方案

為綜合反映全湖水質(zhì)情況，根據(jù)均勻布點原則，分別在撫仙湖北部水域，由北向南布設(shè)2條橫跨東西岸的線，在每條線均勻布設(shè)3個采樣點位，共6個采樣點位；在撫仙湖南部水域，由北向南縱向布設(shè)4個采樣點位。共計布設(shè)10個水平采樣點位，水樣采集根據(jù)各監(jiān)測點處的水體深度分層進(jìn)行，具體為采集水下0.5，20，40，60，80，90，100，110 m（以實際深度為準(zhǔn)，原則上80 m以下按每間隔10 m采集1個樣品，直至湖底）等不同深度的樣品。采樣點位分布見圖1。

1.2 采樣時間

2021年1～12月每月對全湖10條垂線現(xiàn)場分層采樣1次，對21條主要入湖河流及底泥各采樣分析1次，以此分析各月水質(zhì)特征。

1.3 監(jiān)測指標(biāo)及樣品預(yù)處理

天然水中磷以多種形態(tài)存在，本次湖體10個監(jiān)測點位主要監(jiān)測分析了TP、DTP、SP、DOP四種形態(tài)磷。入湖河流及底泥監(jiān)測分析了TP。

TP、DTP及SP現(xiàn)場采樣、水樣保存和預(yù)處理等過程嚴(yán)格按照按HJ 91.2-2022《地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》［8］等相關(guān)要求進(jìn)行。TP按照GB/T 11893-1989《水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》［9］采用過硫酸鉀消解分光光度法測定；DTP是將水樣經(jīng)0.45 μm 微孔濾膜過濾，經(jīng)過硫酸鉀消解后用分光光度法測定；SP是將水樣經(jīng)0.45 um濾膜過濾后，不消解，直接顯色測定。DTP與SP差值為DOP。湖體與入湖河流TP預(yù)處理及分析方法一致。

底泥總磷按照HJ 632-2011《土壤 總磷的測定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》［10］測定方法，將底泥在陰涼處風(fēng)干過篩，經(jīng)氫氧化鈉熔融后在酸性條件下與鉬銻抗顯色劑反應(yīng)生成磷鉬藍(lán)，在波長700 nm處測量吸光度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與制圖

本文所用的撫仙湖湖體總磷監(jiān)測數(shù)據(jù)為2021年立體監(jiān)測數(shù)據(jù)。入湖河流數(shù)據(jù)來源于地表水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)中月度監(jiān)測數(shù)據(jù)?？偭自u價結(jié)果根據(jù)GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅰ～Ⅴ類總磷水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值［11］和《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）》［12］進(jìn)行單因子評價。數(shù)據(jù)采用Origin進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷時間分布特征

通過采樣、測定和分析得到，2021年撫仙湖立體監(jiān)測不同形態(tài)磷的濃度范圍、全湖年均濃度及最大濃度出現(xiàn)的月份與深度有所不同。TP全湖年均值為0.025 mg/L，濃度最大值出現(xiàn)在N1A點位1月130 m水深處。DTP全湖年均值為0.021 mg/L，濃度最大值出現(xiàn)在N1B點位2月150 m水深處。SP全湖年均值為0.017 mg/L，濃度最大值出現(xiàn)在N1B點位2月150 m 水深處。DOP全湖年均值為0.004 mg/L，濃度最大值出現(xiàn)在N1B點位5月110 m水深處。

撫仙湖DTP占TP的比例為77.78%；DTP中，SP為主要賦存形態(tài)，SP占DTP比例為80.95%；DOP占DTP濃度比例為19.05%，占比相對較少。

不同形態(tài)磷月度變化情況如圖2所示。受初期雨水影響，6月份TP均值濃度最大，全年12個月中1～4月和6月共5個月TP濃度屬于Ⅲ類水質(zhì)，5月和7～12月共7個月TP濃度屬于Ⅱ類水質(zhì)。DTP濃度最大值、最小值分別出現(xiàn)在4月和3月，SP濃度最大值、最小值分別出現(xiàn)在2月和6月。DOP上半年波動較大，8～12月濃度相對穩(wěn)定，其最大值出現(xiàn)在6月。

結(jié)合2021年撫仙湖流域周邊的8個水文監(jiān)測站點數(shù)據(jù)分析，2021年度撫仙湖流域降雨主要集中在6～8月，各月累計降雨量均超過1 000 mm，總降雨量占全年降雨總量的54%。其中，6月的累計降雨量最大，達(dá)1 239 mm。2021年第1季度累計降雨量最少，總降雨量僅占全年降雨總量的3%，3月的降雨量最少。6月降雨量最大時，表層TP濃度均值及全湖均值分別達(dá)到0.019 7 mg/L和0.031 1 mg/L，均為全年最大值。TP濃度高可能與初期雨水形成地表徑流后將下墊面大量污染物匯聚后輸入湖泊內(nèi)等原因有關(guān)。

降雨期間增加了河道的沖刷、運輸能力和徑流量，使部分河道及流域土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)匯入，進(jìn)而增加湖體磷負(fù)荷。撫仙湖周邊入湖河流多為季節(jié)性河流，河長較短，污染物進(jìn)入河流后很快會被沖入撫仙湖［13］。6月初期雨水過后，表層及全湖TP均值濃度有所下降。

2.2 磷垂向空間分布特征

不同形態(tài)磷垂向分布特征見圖3。DTP、SP與TP有類似變化趨勢，總體上底層水體濃度高于表層。TP、DTP、SP濃度在0～40 m范圍內(nèi)隨深度波動較小；70～90 m范圍內(nèi)隨水深增加略有減少；100～140 m范圍內(nèi)總磷隨水深增加幅度較大，平均水深每增加10 m，總磷濃度升高0.01 mg/L；150 m處三者濃度較140 m有所降低。DOP除在個別水深處出現(xiàn)波動外，總體濃度較為穩(wěn)定，隨水深增加濃度增加趨勢不明顯。

同時將TP、DTP、SP濃度與水深進(jìn)行擬合，擬合的一元線性函數(shù)的R2依次為0.85，0.90，0.88，擬合程度很好，說明隨水深增加，總磷濃度幾乎呈線性增加趨勢。

鑒于其他形態(tài)磷與TP有相似的變化趨勢，下面以TP為代表，分別從10個監(jiān)測點位來看表層與底層水體TP的差異情況。

10個監(jiān)測點表層TP年均值在0.007～0.015 mg/L間波動；表層濃度均小于底層，底層TP濃度是表層TP濃度的0.46～6.58倍。結(jié)合不同形態(tài)磷的垂向分布特征及表層、底層磷的濃度差異得出撫仙湖磷存在較大的垂向濃度梯度，深層水體中磷蓄積嚴(yán)重［14］。

Sakamoto等［15］在2001年6月調(diào)查中發(fā)現(xiàn)撫仙湖表層TP濃度為0.006 2 mg/L，底層TP濃度為0.015 1 mg/L；玉溪市環(huán)境監(jiān)測站在2001年8月對撫仙湖最深點調(diào)查發(fā)現(xiàn)，底層TP濃度達(dá)0.013 5 mg/L［16］；姚波等［14］于2009年5～7月也對撫仙湖水質(zhì)進(jìn)行了調(diào)查，得出5月、7月?lián)嵯珊韺覶P濃度分別為0.012 mg/L和0.015 mg/L；底層TP濃度分別為0.028 mg/L和0.029 mg/L。

底泥作為水體中磷的重要來源，其通過擴散、對流和再懸浮過程會將磷釋放到水體中。2021年撫仙湖表層底泥呈現(xiàn)黑色，月度底泥總磷濃度為1 571～2 253 mg/kg，年度總磷均值為1 926 mg/kg，且北部的N1C、N2A和南部的S4處的底泥總磷濃度高于其余7個監(jiān)測點位。查文獻(xiàn)知撫仙湖底泥總磷濃度高于巢湖的585 mg/kg、滇池的1 920 mg/kg、杞麓湖的973 mg/kg、瀘沽湖的1 308 mg/kg［17-18］。

表層水體磷濃度低的原因可能是因為水體對輸入的污染物有較強的稀釋作用。深層水體的磷濃度較高可能原因如下：① 因為外源性含磷污染物的長期輸入和向下輸送。② 2021年撫仙湖湖體60 m以下水溫及溶解氧分別為14.5℃、4.2 mg/L；100 m以下水溫及溶解氧分別為14.4℃、2.7 mg/L。湖體底層較高溫度有利于提高物質(zhì)活性，加快各種物理、化學(xué)、生物反應(yīng)（如擴散、有機質(zhì)降解等）的速率；同時也會提高微生物的活性，微生物能將底泥中的有機磷分解為無機磷，把不溶性磷化合物轉(zhuǎn)化成可溶性磷，最終增加底泥內(nèi)源磷釋放的風(fēng)險［19-20］。撫仙湖非成層時期垂直水體的不完全混合，底層溶解氧得不到完整的補充，致使底層水體長時間處于厭氧狀態(tài)，從而加速了底泥中磷快速釋放，影響了湖體水質(zhì)［20］。③ 底層水體流動性差，污染物擴散慢，垂向混合作用弱等原因所致。

2.3 總磷水平空間變化特征

從各水平層分析，0.5～40 m水深處，TP月度均值為Ⅰ、Ⅱ類水并存；水深超過80 m后，水質(zhì)有所下降。同時，0.5～40 m各水平層處，9～12月TP濃度總體低于其他月份；120～150 m各水平層處，1，2，10月TP濃度總體大于其他月份。呈現(xiàn)一定的冬、春季表層濃度升高、底層濃度降低的趨勢，見圖4。

撫仙湖為暖單次混合型湖泊［7］，2021年撫仙湖水溫立體分層監(jiān)測結(jié)果顯示：隨著氣溫升高，4月水體開始出現(xiàn)分層現(xiàn)象；6～10月，湖體的溫躍層相對穩(wěn)定；進(jìn)入冬季后，水溫開始下降，溫躍層厚度變薄，位置下移；次年1～3月上下層水體溫度差異較小，垂直斷面的溫度梯度基本不存在，溫躍層消退，湖水處于混合狀態(tài)。該混合狀態(tài)會導(dǎo)致上下水體交換，是導(dǎo)致表層水體總磷濃度在冬、春季出現(xiàn)升高的原因之一。

按點位空間分布分析，撫仙湖整體呈現(xiàn)北部水深深于南部，隨著水深增加監(jiān)測點位在逐步減少。不同水平層TP高值出現(xiàn)在不同點位處，多出現(xiàn)于撫仙湖北部及南部；TP最小值常出現(xiàn)在S1處，見圖5。

2.4 入湖河流總磷濃度時空變化

入湖河流是撫仙湖的主要補給水源之一，也是污染物進(jìn)入撫仙湖的主要通道［12，21］，其水質(zhì)直接影響著湖泊的水質(zhì)。為了解撫仙湖水體中磷濃度高的原因及不同水域磷污染特征，分析了撫仙湖周邊入湖河流水質(zhì)情況。

2021年，撫仙湖21條入湖河流中，3條入湖河流斷流，其余18條入湖河流中TP濃度屬于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水質(zhì)的分別有9，6，2，1條。18條入湖河流TP年均值在0.026～0.306 mg/L間波動，其中東北部馬房中溝、馬房西溝、窯泥溝及南部路居河TP濃度分別達(dá)0.306，0.294，0.248，0.145 mg/L，TP濃度遠(yuǎn)高于湖庫總磷Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值0.025 mg/L。入湖河流TP濃度高值分布區(qū)域與立體監(jiān)測表層TP空間分布特征基本一致。

東北部水域TP濃度較高主要是因為流域上游磷礦區(qū)裸露地表，

被降雨徑流、淋溶等過程攜帶到環(huán)境中進(jìn)而造成局部水域磷濃度較高［22-25］。湖體南端水域主要受路居鎮(zhèn)排放生活污水及農(nóng)村、農(nóng)業(yè)非點源的影響。同時，根據(jù)湖泊自身水動力條件，撫仙湖北部、南部水域受逆時針環(huán)流影響也會導(dǎo)致其東北部及南部局部水域出現(xiàn)磷的聚集［14］。

3 結(jié) 論

本研究在現(xiàn)場采樣和實驗室分析的基礎(chǔ)上，對撫仙湖不同形態(tài)磷在水平和垂向分布及季節(jié)變化特征進(jìn)行探討，得出以下結(jié)論：

（1） DTP為TP的主要貯存方式；DTP、SP與TP垂向分布特征類似，濃度整體隨水深增加呈線性增加趨勢。同時，撫仙湖表層底泥總磷均值高達(dá)1 926 mg/kg，磷蓄積嚴(yán)重，可能對未來湖泊的富營養(yǎng)化構(gòu)成風(fēng)險。

（2） 6月初期雨水?dāng)y帶湖體周邊污染物、泥沙入湖導(dǎo)致湖體表層TP濃度升高，初期雨水過后TP濃度有所下降，可達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

（3） TP高濃度區(qū)域主要分布在湖體東北部和南端沿岸水域，湖中部水域TP濃度相對較低。

（4） 總磷冬春季表層呈現(xiàn)一定濃度升高、底層濃度降低的趨勢，與溫躍層消退、湖水混合有關(guān)。

研究磷元素的富集、分布、化學(xué)形態(tài)等內(nèi)容有助于深入理解營養(yǎng)物質(zhì)輸入和水體水質(zhì)的關(guān)系。建議在做好流域農(nóng)業(yè)、生活面源截污治污及入湖河道汛期監(jiān)管、日常整治的同時，適時開展湖泊總磷內(nèi)源釋放與削減機理研究，探索水-藻-泥間的遷移關(guān)系，穩(wěn)步推進(jìn)湖泊流域磷污染負(fù)荷來源精準(zhǔn)分析及特征研究。

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（編輯：劉 媛）